Development of a creep-damage model for non-isothermal long-term strength analysis of high-temperature components operating in a wide stress range

Eine Strukturanalyse unter Betriebsbedingungen bei verschiedenen Temperaturen setzt ein zuverlässiges Konstitutivmodell, welches zeitabhängige Kriechdeformationen widerspiegelt und Prozesse wie Verfestigung und Schädigung über einen großen Spannungsbereich erfassen kann, voraus. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines umfassenden, nicht-isothermen Kriech- und Schädigungsmodells, das die Übergänge im Verhalten des Kriechens und der Langzeitfestigkeit beschreibt. Wesentlicher Bestandteil der Kriechschädigungsgleichungen sind die Antwortfunktionen zur aufgebrachten Spannung, welche die experimentellen Kriech- und Versagensdaten, die gewöhnlich unter erhöhten Spannungen und Temperaturen ermittelt werden, auf die Betriebsbedingungen extrapolieren sollen. Diese Arbeit ist gegliedert in vier Teile: Grundannahmen der Modellierung, konventionelle isotrope und anisotrope Kriech- und Schädigungsmodelle, nicht-isothermes Kriech- und Schädigungsmodell für große Spannungsbereiche sowie Beispiele. Im Rahmen der Modellierung werden verschiedene Kriechdeformationsmechanismen, die vom Spannungs- und Temperaturniveau abhängen, sowie deren Beschreibung in einem Konstitutivmodell, dem experimentelle Ergebnisse zu Grunde liegen, diskutiert. Dem vorgestellten Kriech- und Schädigungsmodell liegen Annahmen zu Grunde, die aus experimentellen Beobachtungen für zahlreiche warmfeste Stähle abgeleitet wurden. Das Kriechverhalten zeigt einen Übergang vom exponentiellen zum linearen Verhalten bei geringeren Spannungen. Um das Primärkriechen zu berücksichtigen wurde eine Funktion mit Dehnungsverfestigung verwendet. Das Versagen durch Kriechen wird hinreichend genau beschrieben, wenn in die Konstitutivgleichung zwei Schädigungsparameter und die dazugehörigen Evolutionsgleichungen eingeführt sind. Die Beschreibung des Verhaltens bezüglich der Langzeitfestigkeit basiert auf der Annahme des Übergangs von duktilem zu sprödem Verhalten mit abnehmender Spannung. Beispielhaft werden die neuen Modelle für die Bauteilanalyse (u.a. Abschätzung der Langzeitfestigkeit eines Gehäuses eines Schnellschlussventils einer Dampfturbine) eingesetzt.